电源完整性仿真域之仿真软件（附下载）

第一章   电源完整性时域分析之示波器
第二章   电源完整性时域分析之测试探头
第三章   电源完整性频域分析之网络分析仪
第四章   电源完整性仿真域之仿真软件
第五章   电源完整性激励域测试之码型发生器
第六章   电源完整性测试之直流瞬态电压及纹波噪声模拟

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电源完整性的仿真

是德科技的先进设计系统（Advanced Design System，ADS）软件是一个完整的高速电路仿真设计平台，提供了完整的信号与电源完整性仿真解决方案。ADS 的版图设计环境集成了全新的 SIPro/PIPro 仿真分析工具，可以帮助工程师快速高效地完成 PCB 设计中信号与电源完整性的版图布局分析和版图后仿真。

SIPro/PIPro 是内嵌于 ADS 版图设计环境中的功能模块，它包含独立的仿真界面及仿真器，可以对版图设计进行分析。目前，ADS 版图支持多种不同格式的设计文件导入，如 ODB++，Gerber，IFF，EGS，Allegro Brd 等。

SIPro/PIPro 包含以下功能 ：

●PI-DC ，用于直流电压降分析

●PI-AC，用于 PDN 阻抗分析

●PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于电源平面谐振分析

●Electro-Thermal，用于电热联合仿真

●Thermal，热仿真分析

●SIPro（Power-Aware Signal Integrity Analysis），用于与电源相关的信号完整性分析

●CEM（I  Conducted EMI），用于 PCB 电源传导仿真分析●阻抗快速扫描

下图为 SI/PIPro 的软件界面和仿真的基本流程。

SIPro/PIPro 具有以下特点：

●仿真速度快 ，比传统平面或 3D 电磁场仿真器速度提高 10 倍以上。

●仿真精度高，可以与 3D 有限元法有相似的仿真精度。

●仿真流程简便，界面友好。

●可以方便地生成 ADS 原理图，进行电路分析。

●可以仿真 Tabbed routing 等非规则 PCB 结构。

●便捷设置 Back drill 过孔。

●可以任意设置信号或者电源端以及相应的参考端。

●有 Python 的接口。可以非常方便地管理电容模型库。

1. PI-DC 分析

由于过大的直流电压降，落在 IC 电源端的电压可能低于建议的最低电压。这可能导致 IC 的故障。过高的电流密度在过孔处会生成过多的热量，引起电路板裂开或烧化，导致故障。PI-DC 可以计算直流条件下的电压、电流、IR Drop ( 电压降 ) 及电源供电网络的功率损耗密度等。PIPro 可以帮助工程师用户识别 芯片等器件的管脚和连接 过孔等在直流工作条件下流过的电流密度，显示芯片管脚电压，并给出设计裕量。仿真结果还可以自动生成报告。如下图所示为电压跌落的结果，包括了图形化的结果以及数据表格结果。

PIPro 输出的电源结果中还包括电源树等结果。如下图所示为多相电源 300A 电流电路 PI IRdrop 的结果 ：

2.PI-AC 分析

PI-AC  分析用于提取电源分布网络（PDN）的交流阻抗特性，并且可以显示电流密度，了解热点区域。提取的阻抗网络可以直接转化为 ADS 的原理图，与电压调节模块（VRM）模型和去耦电容进行优化。

PI-AC  分析允许在仿真中添加元件模型，如去耦合电容模型。软件支持多种元件模型形式，如理想集总元件，S 参数模型，元器件厂家模型库，自定义电路模型等。用户可以一次为同一个元件定义多种模型，可以方便地在多个模型间进行切换。

PI-AC  分析可以一次分析任意多个指定的电源网络，仅更换元件模型时不需要重复进行电磁仿真。便可获得新的结果。如下图所示为 PDN 阻抗曲线。

在 PIPro 中可以导入目标阻抗曲线，通过与设定的目标阻抗进行比较，可以确定当前设计是否满足阻抗要求。

当设计阻抗不满足要求时，需要进行阻抗优化。PIPro 本身自带自动优化仿真。

PIPro 可以自动生成仿真电路原理图，用户可以在 ADS 原理图中优化或调谐元件模型，选择合适的元件组合。

ADS 提供了 10 余种优化方法，可以实现去耦电容参数的快速搜索，实现最佳性能。通过分析去耦电容通过电流的大小，可以剔除冗余电容，降低设计成本。

3.电源平面谐振（PPR）分析

电源平面谐振分析可以计算配电网 络（PDN）的自谐振频率和相应的 Q 值。它可以帮助你实现去耦电容和过孔的优化布置。电源平面谐振会干扰敏感的模拟电路，并生成过量的辐射。这可能导致设计不能满足 EMC 规范。

4.电热联合仿真

电源完整性分析中还集成了电热仿真功能，能够实现电 / 热协同仿真。电源完整性仿真引擎（DC Drop）对电源网络进行仿真，提供功率密度给热分析器，热分析器再根据器件功耗运行热分析，系统多次迭代上述过程，获取更新后的温度值直到仿真收敛。电热联合仿真温度显示分布图。

5.与电源相关的信号完整性分析（SIPro）

在高速电路信号完整性设计中，信号电流的最短回流不仅包含地平面，还往往包含电源平面。如果在提取信号走线 S 参数时，仅考虑参考地平面，不考虑电源平面，仿真的结果会有很大的误差。SIPro 使用独有的混合算法，可以快速提取信号走线（包含过孔）与地平面和电源平面的频域模型。这一频域模型可以直接转换成 ADS 的原理图， 用于电路仿真，如时域瞬态（Transient）仿真，通道（Channel）仿真，DDR 总线仿真等。

与其他仿真技术相比，SIPro 具有以下特点：

●可以考虑电源平面对回流路径的影响。

●不需要对版图设计进行切割或简化，保持了地平面和电源平面的完整。

●基于 FEM 和平面电磁场技术的求解器，相比基于传输线等效电路的算法精度大大提高。

●端口设置快速简便。

●仿真速度快。

●可以快速查看 TDR/TDT 及单端、混合模式的 S 参数结果。●自动生成电路原理图。

同时仿真多路传输线的 S 参数，如下是选中的信号网络：

仿真后能快速的查看传输线的插入损耗、回波损耗及串扰，如下图所示 ：

下图所示为 SIPro 中仿真后查看传输线的 TDR /TDT 结果 ：

Layout 工程师在设计的时候，总希望能快速地找到设计不规范或者不满足要求的点，尤其是对于一些对成本要求非常严苛的 2layers 高速板，总是会存在很多阻抗不连续点的设计。SIPro 中的 Rapid Scan 就能满足这种快速分析的要求。下图所示是在 SIPro 中快速的查看传输线的阻抗情况 ：

6.传导仿真分析（CEMI）

随着在电子产品中往往需要进行 EMC 的检测分析，传导就是 EMC 的一种。为了更好的发现、避免以及解决传导的问题。在 PIPro 中可以利用 CEMI 对电路进行传导的仿真分析。下图所示为 CE 的仿真结果。

仿真后，还可以生成 test bench，在 ADS 原理图中做进一步的电路分析，以找到解决问题的方法。

总之，使用 SIPro/PIPro 可以非常快捷方便地完成 PCB 的信号完整性、电源完整性和 PCB 传导的仿真以及提取传输线和电源系统参数模型的。

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